Підвищення зносо- і корозійної стійкості деталей об’ємного гідроприводу нанесенням іонно-плазмових покриттів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«пРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСО- І КОРОЗІЙНОЇ СТІЙКОСТІ ДЕТАЛЕЙ ОБ'ЄМНОГО ГІДРОПРИВОДУ НАНЕСЕННЯМ ІОННО-ПЛАЗМОВИХ ПОКРИТТІВ

05.02.01 - матеріалознавство

РИЖКОВ Юрій Володимирович

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Глушкова Діана Борисівна, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри технології металів і матеріалознавства.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Воробйов Геннадій Михайлович, Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», професор кафедри матеріалознавства та обробки матеріалів;

доктор технічних наук, професор Роїк Тетяна Анатоліївна, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри фізики металів.

Захист відбудеться 7 жовтня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 Державного вищого навчального закладу «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» (49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а).

Автореферат розісланий 6 вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Е.М.Кваша

АНОТАЦІЯ

Рижков Ю.В. Підвищення зносо- і корозійної стійкості деталей об'ємного гідроприводу нанесенням іонно-плазмових покриттів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», Дніпропетровськ, 2010.

У дисертації вирішено наукову проблему підвищення ефективності роботи пар ковзання шляхом вибору матеріалу для виготовлення деталей об'ємного гідропривода та режимів його термічної обробки. Вперше науково обґрунтовано ефективність застосування іонно-плазмового методу для нанесення покриттів на робочі поверхні деталей. Створено спеціальне трикомпонентне покриття, досліджено вплив його на формування структури і експлуатаційні властивості деталей гідроприводів. Здійснено промислове впровадження розробки у виробництво.

Ключові слова: плазма, покриття, структура, гідропривід, механічні властивості, зносостійкість, корозійна стійкість, фазовий склад, напружений стан.

АННОТАЦИЯ

Рыжков Ю.В. Повышение износо- и коррозионной стойкости деталей объемного гидропривода нанесением ионно-плазменных покрытий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», Днепропетровск, 2010.

В работе решена научная проблема повышения эффективности работы пар скольжения деталей объемного гидропривода путем выбора материала для их изготовления. На основе литературного анализа, изучения опыта работы предприятий, производящих деталей гидропривода, а также свойств ряда сталей нами научно обоснован выбор легированной стали 38Х2МЮА, которая имеет высокие характеристики износостойкости. Это подтверждено испытаниями, которые моделируют основные процессы трения износа реальных деталей. Сталь 38Х2МЮА имеет по сравнению со сталью 45 в 2 раза большую износостойкость. Экспериментально установлено, что износ деталей, изготовленных из графитизированного чугуна уменьшается в 1,8-2 раза при работе в паре со сталью 38Х2МЮА.

В работе впервые доказана целесообразность нанесения на рабочие поверхности деталей гидропривода ионно-плазменных покрытий.

Создано трехкомпонентное покрытие Ti-Cr-N, новизна которого подтверждена патентом Украины. Для его получения переоборудована камера установки «Булат-3Т» экспериментально определены оптимальные режимы нанесения покрытия. Впервые показано, что наименьший износ прогнозируется при твердости материала HRC45, толщине нанесенного покрытия 6 мкм и шероховатости поверхности детали 0,16. Это подтверждено износными испытаниями. Повышение рабочих характеристик пар скольжения с плазменным покрытием объясняется формированием на рабочих поверхностях значительных сжимающих напряжений (до 1800 МПа), высокими значениями нанотвердости (2,2-2,5 раза выше, чем у стали 45 и карбонитридным покрытием) и модуля упругости.

Испытуемые детали, изготовленные из выбранной марки стали с нанесенными по выбранному режиму плазменными покрытиями, подвергались стендовым и производственным испытаниям. Автором сконструирован, создан и введен в эксплуатацию специальный стенд, состоящий из испытательной установки, гидростанции и мультипликатора непрерывного действия. Проводились ресурсные испытания, подтверждающие преимущества предложенной автором разработки.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по выбору материала деталей гидропривода, состава плазменного покрытия и режимов нанесения внедрены в производство на ГП «Завод им. Малышева» , ООО СКТБ «Гидромодуль», ХНАДУ.

Ключевые слова: плазма, покрытие, структура, гидропривод, механические свойства, износостойкость, коррозионная стойкость, фазовый состав, напряженное состояние.

SUMMARY

Ryzhkov Y.V. Improving of wearlessness and corrosive firmness of hydraulic drive details applying ionic plasma coverage . - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in engineering sciences 05.02.01 speciality - science of materials. - State Higher Educational Establishment “Pridneprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture”, Dnipropetrovsk, 2010.

In the dissertation the scientific problem of increasing the efficiency of sliding couples operation is solved. It is done with the choice of special material for making the details of positive-displacement hydraulic drive and with the choice of the modes of its heat treatment. The efficiency of application of ionic-plasma method for covering the working surfaces of details is proved. The special three-component coverage is developed. Its influence on forming the structure and operating properties of hydraulic drive details is examined. The results of the development are carried out in industrial production.

Keywords: plasma, coverage, structure, hydraulic drive, mechanical properties, wearlessness, corrosive firmness, phase composition, state of stress.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Прискорення науково-технічного прогресу, значною мірою, залежить від досягнень науки і техніки в галузі розробки високоефективних технологічних процесів підвищення надійності роботи деталей машин.

Важливим фактором у цій сфері є подальше удосконалення технології виготовлення об'ємних гідроприводів, які займають значне місце в машинах різного призначення, у тому числі будівельних.

Аналіз досвіду експлуатації цих машин показав, що основною причиною їх виходу з ладу є знос робочих поверхонь прецизійних вузлів ковзання деталей.

Вибір матеріалів пар ковзання, що забезпечує підвищення їх ресурсу вище досягнутого рівня, є важливим завданням. Вирішення його залежить від конструкції та призначення вузла, технології виробництва, умов експлуатації, від вимог до властивостей деталей, терміну їх служби та надійності з урахуванням вартості матеріалів та їх дефіцитності, витрат на виготовлення деталей з вибраного матеріалу та експлуатацію.

Вивчення закономірностей зміни структури та властивостей матеріалів ковзання в процесі роботи та розробки методів підвищення довговічності роботи деталей об'ємного гідроприводу є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до пріоритетного напряму розвитку науки і техніки «Новітні технології та ресурсоощадні технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі», а також відповідає програмі «Підвищення надійності та довговічності машин і конструкцій» згідно з Постановою Верховної Ради України №2750 від 16.10.92, а також «Програмі реструктуризації на транспорті», затвердженою постановою Кабінету Міністрів України №769 від 02.06.1998.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - підвищення зносо- і корозійної стійкості деталей пар ковзання об'ємного гідроприводу.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити наступні завдання:

- науково оґбгрунтувати вибір матеріалу для виготовлення деталей ковзання об'ємного гідроприводу;

- з практичних і наукових позицій довести ефективність застосування вибраного іонно-плазмового методу;

- дослідити і розробити оптимальний склад плазмового покриття і технологічних параметрів його нанесення;

- визначити особливості впливу плазмового покриття на формування структури і властивостей робочого шару деталей.

Об'єкт дослідження. Матеріали та закономірності нанесення іонно-плазмових покриттів для деталей об`ємних гідроприводів з метою підвищення їх експлуатаційних властивостей.

Предмет дослідження. Підвищення зносо- і корозійної стійкості деталей об'ємного гідроприводу після нанесення іонно-плазмових покриттів.

Методи дослідження. При проведенні досліджень були використані сучасні методи: металографічний, рентгеноструктурний, мікрорентгеноспектральний аналізи, визначення мікро- та нанотвердостей, обробка отриманих результатів з використанням методів математичної статистики, методів виконання хімічного аналізу, випробувань на зносо-і корозійну стійкість .

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Науково обґрунтовано, вибрано та експериментально доведено переваги сталі 38Х2МЮА, як основного матеріалу і запропоновано оптимальні режими її термічної обробки, які забезпечують високу зносо- та корозійну стійкість порівняно з іншими сталями.

2. Розроблено нові наукові та технологічні основи нанесення плазмового покриття, що дозволяє, за допомогою варіювання параметрів швидкості обертання деталі у вакуумній камері, її відстані від трьох катодів, кута між трьома джерелами плазми, отримувати покриття різного хімічного та фазового складу.

3. Створено нове за хімічним складом трьохкомпонентне покриття Ti-Cr-N при наступному співвідношенні компонентів (% за масою) Ti від 10 до 75, Cr від 5 до 70, N від 15 до 21, яке забезпечує високий опір пластичній деформації.

4. Вперше встановлено оптимальну товщину плазмового покриття, яка дорівнює 6 мкм, її перевищення викликає відшарування, а зменшення - зниження зносостійкості робочих поверхонь деталей.

5. Вперше визначено наступний фазовий склад плазмового покриття Ti-Cr- N: Ti₂N, (TiCr)₂N , який забезпечує максимальну зносостійкість та підвищену корозійну стійкість.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Доведено технічну й економічну доцільність застосування методу конденсації речовин в умовах іонного бомбардування (КІБ) для підвищення довговічності деталей об'ємного гідроприводу.

2. Розроблено багатокомпонентне покриття спеціального призначення для деталей об'ємного гідроприводу, на яке отримано патент України №31864 від 25.04.08.

3. Промислова установка «Булат-3Т» модернізована з метою нанесення багатокомпонентних шарів,на що отримано позитивне рішення на заявку № u 2010 03834 від 02.04.2010.

4. Спроектовано та запущено в експлуатацію стенд для ресурсних випробувань золотникових пар гідророзподільників.

5. Розробки впроваджені на ДП «Завод ім. Малишева» акт від 15.07.09, на ТОВ СКТБ «Гідромодуль» акт від 08.07.09, в учбовому процесі ХНАДУ акт від15.10.09р.

Особистий внесок здобувача. Основні експериментальні дані та узагальнення, що становлять сутність дисертації, отримано та сформульовано автором або за його безпосередньої участі.

Зокрема, зроблено таке:

проаналізовано вплив різних методів поверхневої обробки на робочі характеристики деталей гідроприводу [1, 2, 8, 9, 10];

виконано дослідження формування покриттів TiN і TiCrN на поверхнях ковзання, їх структура і властивості [2, 4, 5;6;7];

проведено дослідження характеристик ковзання вузлів гідроприводів, виготовлених з кераміки, чавуну, сталі [10];

встановлено взаємозв'язок між зносостійкістю і параметрами нанесеного покриття [3].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на трьох Міжнародних науково-технічних конференціях ХНАДУ у 2007-2009 рр.; двох Міжнародних щорічних промислових конференціях у с. Славське, Карпати; IV Міжнародній конференції «Стратегія якості у промисловості і освіті» 30.05 - 06.06.08, м. Варна, Болгарія; 9-ій Міжнародній конференції «ADVANCED MATERIALS and OPERATIONS» м. Кранєво, Болгарія 25.06. - 27.06.09; 6-ій Національній науково-технічній конференції «Неруйнівний контроль та технічна діагностика» Україна, м. Київ 09 - 12.06.09.

Публікації. За темою дослідження опубліковано 16 наукових праць, у тому числі 6 статей надруковано у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 8- опубліковано в збірниках матеріалів міжнародних конференцій, 2 патента.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 139 сторінок, з яких 132 сторінки тексту, 50 рисунків, 35 таблиць, 13 сторінок - список використаних джерел з 118 найменувань, 4 додатки на 6 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається мета та завдання досліджень, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі представлені дослідження умов експлуатації деталей об`ємного гідроприводу у складі машин різного призначення, огляд сталей, які застосовуються для їх виготовлення. Вирішення проблеми підвищення терміну експлуатації деталей об`ємного гідроприводу неможливе без глибокого розуміння механізмів зносу та явищ, що їх супроводжують. Проблемами зносу, дослідженнями матеріалів пар ковзання займалися такі видатні вчені, як Боуден Ф.П., Палатник Л.С.., Буше М.О. Але на сьогодні не встановлено кореляції між властивостями пар ковзання, їх будовою та структурними складовими.

Розробка теоретичних основ сумісності матеріалів , вивчення механізмів їх зношування останнім часом набули особливого значення. Це пов'язано з тим, що підвищились вимоги до матеріалів зі збільшенням навантажень, швидкостей та температур у вузлах ковзання деталей об'ємного гідроприводу.

В основі досліджень антифрикційних властивостей лежать процеси, які мають місце у поверхневих шарах пар ковзання під час роботи і вибір методів їх підвищення. Проведено огляд існуючих методів хіміко-термічної обробки, дифузійного насичення поверхні деталей. Практика показує, що вони не дають стійких промислових досягнень. Показано перспективність застосування іонно-плазмової технології. У першому розділі сформульовано мету і завдання роботи, об`єкт та предмет дослідження, наукову новизну і практичне значення розробок.

У другому розділі наводяться використані матеріали та методики проведення експериментів і дослідження властивостей покриттів.

У роботі для дослідження вибрано сталь 45 і чавун СЧ20, які використовують при виготовленні деталей об'ємного гідроприводу (золотникових пар). Також запропоновано леґовану сталь 38Х2МЮА, яка добре себе зарекомендувала в реальних умовах виробництва.

Основними критеріями оцінки працездатності матеріалів для деталей об'ємного гідроприводу та ефективності їх поверхневої обробки є характеристики ковзання. Міцність з'єднання покриття з підкладкою оцінювали за методикою, що основана на спільній пластичній деформації покриття і підкладки при заглибленні індентора твердоміра Роквелла. Міцність з'єднання оцінювалась як відношення площі відбитку у площині робочої поверхні до суми площ відбитку і відколу покриття у площині робочої поверхні.

Випробування на нанотвердість проводилися на пристрої «Nano Indenter II», оснащеному алмазним індентором Берковича, за методикою Олівера і Фарра.

Щоб установити зв'язки між умовами нанесення плазмових покриттів, їх фазовим складом та експлуатаційними характеристиками, проводили металографічні, рентгенофазові, мікрорентгеноспектральні дослідження.

Математичну обробку експериментальних даних проводили з використанням методів математичного аналізу: диференційних обчислень функцій багатьох перемінних та сучасної обчислювальної техніки.

У третьому розділі наведено дослідження зносу матеріалів деталей об'ємного гідроприводу. Випробовували:

1) сталь 45, яка використовується для виготовлення деталей об`ємного гідроприводу після покращення;

2) сталь 45 після карбонітрації приповерхневого шару, яка широко застосовується у практиці для підвищення зносостійкості деталей;

3) сталь 38Х2МЮА після покращення.

Отримані результати (рис. 1) свідчать, що найбільший знос має сталь 45 після покращення. Сталь 38Х2МЮА після покращення має знос удвічі менший, ніж сталь 45.

Рис. 1. Залежність зношування досліджуваних матеріалів від прикладеного навантаження:

1 - сталь 45 після покращення;

2 - сталь 45 після карбонітрації поверхневого шару;

3 - сталь 38Х2МЮА після покращення.

Випробування з визначенням залежності моментів тертя від навантаження проведено на машині СМЦ-1 при швидкості ковзання 1,3 м/с. Навантаження здійснювали ступінчато по 0,2 кН з інтервалом 75 с у два етапи. На першому етапі здійснювали припрацювання при навантаженні 0,2 - 0,6 кН. На другому етапі навантаження змінювалось в інтервалі 0,2 - 1,4 кН.

За значеннями одержаних моментів тертя розраховували коефіцієнти тертя (табл. 1).

Таблиця 1. Значення коефіцієнтів тертя

№	Матеріал диска	Значення fтр при навантаженні Р, кН
		№ наван-таження	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2	1,4
1	Сталь 45 після покращення	1 припрацю-вання	0,17	0,18	0,16
		2	0,04	0,29	0,11	0,11	0,11	0,11	0,11
2	Сталь 45 з карбонітра-цією	1 припрацю-вання	0,10	0,16	0,15
		2	0,01	0,08	0,10	0,10	0,13	0,11	0,11
3	Сталь 38Х2МЮА після покращення	1 припрацю-вання	0,12	0,17	0,16
		2	0,01	0,015	0,025	0,13	0,10	0,12	0,11

Проведені випробування показали:

- сталь 45 після покращення має відносно найбільші значення зносу і коефіцієнтів тертя у межах робочих навантажень 0,2 - 0,6 кН;

- карбонітрація зменшує знос сталі 45 у 1,2 - 1,5 рази, а коефіцієнти тертя зменшуються у 4 рази у межах навантажень 0,2 - 0,4 кН.

- сталь 38Х2МЮА порівняно зі сталлю 45 з карбонітрацією має значні переваги: знос зменшується у 2 рази, коефіцієнт тертя - у 2 - 4 рази в межах навантажень 0,2 - 0,6 кН.

- дослідження показали, що зношення сполучених деталей, зроблених з графітизованого чавуну, зменшується у 1,8 - 2 рази при роботі в парі зі сталлю 38Х2МЮА.

Четвертий розділ присвячений вибору складу плазмового покриття та оптимальних технологічних параметрів його нанесення на деталі об'ємного гідроприводу (золотникові пари).

Для покриття вибрано нітрид титану, тому що він має високі показники міцності (мікротвердість, модуль пружності); має низьку теплопровідність, що захищає основу деталей від небажаного впливу термічного розміцнення при терті. Нітрид титану стійкий до корозії та окислення; його коефіцієнт термічного розширення (9,35·10-⁶ град) близький за значенням до коефіцієнта термічного розширення сталі 38Х2МЮА, яка використовується як підкладка, що важливо для підвищення адгезії.

Підбирали тиск реакційного газу в камері «Булат-3Т»; температуру розігріву поверхні деталі, на яку наноситься покриття, і час осадження покриття. Критерієм оцінювання якості покриттів була зносостійкість деталей. На деталь при іонному бомбардуванні подавався від'ємний потенціал 1000 В. Згідно з технічними даними «Булата 3Т» температура підкладки може змінюватися від 300 до 800 С. Іонне бомбардування при температурі підкладки 500 С, виготовленої із сталі 38Х2МЮА, відповідає найкращій адгезії покриття (^{= 1}) і найменшому зносу (табл. 2).

Таблиця 2. Вплив температури іонного бомбардування титаном на адгезію покриття з підкладкою та зношування при експлуатації

Марка сталі	Адгезія (у чисельнику) та зношування (у знаменнику), г, при температурах, С
	без покриття	300	400	500	700
38Х2МЮА

Наносили нітрид титану при тиску від 3?10^-3 Па до 1 Па. Отримувані покриття відрізняються кількістю крапельної фази (рис.2) і значенням мікротвердості.

а) б

Рис. 2. Мікроструктура поверхні покриттів нітридом титану, отриманих при різному парціальному тиску азоту:

а - 310-² Па; б - 1 Па.

В табл. 3 наведені значення мікротвердості при різних значеннях тиску азоту.

Таблиця 3. Вплив парціального тиску азоту на мікротвердість покриття нітридом титану

Тиск азоту, Па	310-3 Па	310-2 Па	1 Па
Мікротвердість, ГПа	23,0	25,0	20,0

На основі представлених результатів можна зробити висновок, що найбільша кількість значних за розмірами ділянок крапельної фази спостерігається у покриттів, отриманих при тиску азоту 3·10-² Па.

При збільшенні тиску азоту до 1 Па покриття мають незначну кількість крапельної фази без слідів лущення і відшаровування. З підвищенням парціального тиску азоту зменшується швидкість випаровування титану, а також кількість крапельної фази (рис. 2), збільшується реакційна здатність парової фази титану. Із збільшенням тиску мікротвердість покриття знижується. Це сприяє зниженню крихкості покриттів, що було показано попередніми дослідженнями вчених. Зниження крихкості покриття при достатьно високій твердості дозволяє ефективно захищати поверхні деталі від зносу.

Проведені дослідження зміни зношування деталей з покриттям залежно від тиску азоту (табл. 4).

Таблиця 4. Вплив парціального тиску азоту на зношування деталей з покриттям

Марка сталі	Зношування г10-4 при парціальному тиску
	без покриття	310-3 Па	310-2 Па	1 Па
38Х2МЮА після покращення	3,0	2,8	2,5	2,0

Отримане при тиску азоту 1 Па покриття нітриду титану ефективно підвищує зносостійкість деталей, виготовлених зі сталі 38Х2МЮА.

Дуже важливим параметром є товщина покриття, що наноситься. Досліджували покриття товщиною від 2 до 7 мкм, нанесені на сталь 38Х2МЮА після покращення.

Результати досліджень свідчать, що найбільшу адгезійну активність до підкладки та вплив на зменшення зносу сталі має покриття нітриду титану товщиною 6 мкм. При більшій товщині спостерігається відшаровування покриття (табл. 5).

Таблиця 5. Вплив товщини покриття TiN, що наноситься, на зношування деталей

Марка сталі	Зношування, г10-4
	без покриття	Товщина покриття, мкм
		2	3	4	5	6	7
38Х2МЮА після покращення	3,0	2,9	2,5	2,2	2,0	1,9	2,7

Вивчалася структура і фазовий склад поверхні деталей після іонного бомбардування та після покриття, нанесеного за вибраними параметрами. На рис. 3-4 можна побачити осадження -Ті після іонного бомбардування.

Мікротвердість поверхневого шару після іонного бомбардування зросла з 0,4 до 1,1 ГПа.

Рис. 3. Поверхня сталі після бомбардування іонами титану

Проведені після нанесення покриття мікрорентгеноспектральні дослідження показали, що в покритті містяться титан, азот і вуглець.

У приповерхневому шарі досліджуваних зразків титан і азот не виявлені. Процес нанесення покриття не вносить істотних змін у склад та структуру основного металу.

У покритті кількість поступово зменшується від підкладки до зовнішньої поверхні покриття. Це пояснюється тим, що при бомбардуванні осаджується на поверхні, а в конденсованому потім покритті спостерігається мінімальна кількість крапельної фази з , як було показано дослідженнями.

При цьому досягається висока адгезія покриття до підкладки, що є однією з основних вимог до покриття для забезпечення високої зносостійкості деталей.

За допомогою рентгеноструктурного методу косих зйомок (²-метод) показано, що у приповерхневому шарі в покритті мають місце залишкові стискальні напруження 1800 МПа. Це може бути пов'язано із різними значеннями коефіцієнтів теплового розширення покриття та його основи. Цей факт має важливе значення для підвищення працездатності деталей.

Визначався вплив плазмових покриттів на робочі характеристики деталей.

За результатами випробувань на знос (табл. 6) можна зробити висновок, що покриття нітриду титану сприяє зниженню зносу порівняно з азотованою сталлю, а також зниженню зносу сполучуваного матеріалу із сірого чавуну (на 27%) у досліджених умовах ковзання.

Проведено аналіз отриманих значень нанотвердості.

Таблиця 6. Результати випробувань на зношування

Матеріал диска	Матеріал колодочки	Зношування ролика, г·10-4, (середнє за трьома випробуваннями)	Зношування колодочки, г·10-4, (середнє за трьома випробуваннями)
Сталь 45 після покращення	СЧ20	46,0	26,0
Сталь 45 після карбонітрації	СЧ20	40,0	18,0
Сталь 38Х2МЮА після покращення	СЧ20	25,0	15,0
Сталь 38Х2МЮА після азотування	СЧ20	18,0	12,0
Сталь 38Х2МЮА з покриттям TiN	СЧ20	9,0	6,0

На рис. 4 представлені гістограми і вперше показано, що нанотвердість сталі 38Х2МЮА з плазмовим покриттям удвічі вища, ніж нанотвердість сталі 45 з карбонітридним покриттям

Слід також відмітити вищий рівень модуля пружності плазмового покриття, нанесеного на сталь 38Х2МЮА, порівняно з карбонітридним шаром, нанесеним на сталь 45. Це свідчить про те, що в сталі 38Х2МЮА при більш високих напруженнях наступає пластична деформація.

З метою підвищення зносостійкості та механічних властивостей робочих поверхонь контртіл прецизійних вузлів тертя доцільно використовувати сталь 38Х2МЮА з плазмовим покриттям.

Рис. 4. Гістограма нанотвердості при навантаженні 10 мН:

1 - нанотвердість плазмового покриття, нанесеного на сталь 38Х2МЮА; 2 - нанотвердість карбонітридного шару на сталі 45.



Рис. 5. Гістограми модуля пружності Е

1 - сталь 38Х2МЮА з плазмовим покриттям;

2 - сталь 45 з карбонітридним шаром.

П'ятий розділ присвячений отриманню та дослідженню покриття

Ti-Cr-N. Ефективність роботи відповідальних деталей гідроприводу обумовлює зменшення або повне усунення небезпеки знеміцнення від такого важливого показника як корозійна стійкість. Враховуючи позитивний вплив TiN на сталь 38Х2МЮА, було вирішено на основі покриття TiN розробити трикомпонентне покриття, що включає хром.

Оптимальні режими процесу нанесення покриття TiCrN на робочі поверхні деталей об'ємного гідроприводу наведені в табл. 7.

Таблиця 7. Оптимальні режими процесу нанесення покриття TiCrN на робочі поверхні деталей об'ємного гідропривода

Матеріал емісійного катоду	Струм дуги, I1, A	Струм дуги, I 2, A	Напружен-ня U, В	Струм I, A	Тиск Р, Па	Час ф, хв.
	1-й етап: очищення, розігрів і активація іонами хрому
1	2	3	4	5	6	7
Хром	80	-	90	2	1·10-4	7
2-й етап: напилення шару покриття в атмосфері азоту
2 катоди: 1-й - хром; 2-й - титан	80	70	150	3	5·10-3	25

Розроблене покриття у такому співвідношенні компонентів (% за масою) Ті від 10 до 75; Cr від 5 до 70; N від 15 до 21, на яке отримане авторське свідоцтво.

Розроблено технологію нанесення покриттів, для чого перебудовано камеру установки «Булат», на що одержано позитивне рішення по видачу патенту за заявкою на корисну модель.

За допомогою рентгенофазового аналізу одержали фазовий склад покриття Ti-Cr-N, а також мікрорентгеноспектральний розподіл елементів Ti, Cr, N у ньому.

Покриття має три фази TiN, T₂N і Cr₃N₄. Великі піки діфрактограм відповідають фазі TiN. Вона є головною в цьому покритті. Сполука хрому з азотом (фаза Cr₃N₄) має тільки один дифракційний максимум. Але присутність хрому і його сполук забезпечує надійне підвищення корозійної стійкості.

Проведені випробування показали, що розроблене покриття підвищує корозійну стійкість деталей, виготовлених із сталі 38Х2МЮА, в 3-4 рази.

Крім того, покриття Ti-Cr-N сприяє одночасно зменшенню зношування



Рис. 6. Дифрактограми покриттів Ti-Cr-N, отриманих при різних значеннях тиску азоту:

1 - 0,13 Па; 2 - 0,4 Па; 3 - 0,8 Па; 4 - 1 Па; 5 - 2,5 Па

Рис. 7. Залежність показника швидкості корозії від часу сталі 38Х2МЮА без покриття та з покриттями Ti-N, Ti-Cr-N:

1 - сталь 38Х2МЮА;

2 - сталь 38Х2МЮА з покриттям Ti-N;

3 - сталь 38Х2МЮА з покриттям Ti-Cr-N.

Заміри нанотвердості дали можливість отримати інформацію про характер розподілу, починаючи з 10 нм до 200 нм. Вони показали, що покриття Ti-Cr-N має більш високе значення нанотвердості і зменшення модуля пружності на рис. 8, 9.

Проведено дослідження параметрів нанесення покриттів і встановлено зв'язок між твердістю матеріалу підкладки, шорсткістю поверхні, на яку наноситься покриття, товщиною покриття та зносом.

З використанням методу математичного аналізу було проведене дослідження впливу перерахованих параметрів на знос сталі 38Х2МЮА. Дослідження проводилися в лабораторних умовах.

а)

б)

Рис. 8. Залежність нанотвердості від глибини проникнення індентора:

а) 1-5 - номери точок заміру нанотвердості для покриття Ti-N;

б) 1-3 номери точок заміру нанотвердості для покриття Ti-Cr-N.

Характер зміни нанотвердості залежно від глибини вдавлювання індентора різний: для покриття Ti-N нанотвердість збільшується до глибини 20-25 нм, а потім зменшується і стабілізується; для покриття Ti-Cr-N збільшення нанотвердості спостерігається до 30-100 нм, а потім зменшується і також стабілізується.

Середнє значення нанотвердості, яке розраховувалось за методикою Олівера-Фарра, для глибини проникнення індентора 100 та 180 нм дорівнює для Ті-N 12,150 ГПа, а для Ti-Cr-N - 12,428 ГПа.

а)

б)

Рис. 9. Залежність модуля пружності від глибини вдавлювання індентора:

а) 1-5 - номери точок заміру нанотвердості для покриття Ti-N;

б) 1-3 номери точок заміру нанотвердості для покриття Ti-Cr-N.

Для покриття Ti-N модуль пружності має середнє значення 265,2ГПа. А для покриття Ti-Cr-N середнє значення складає 221,4 ГПа.

Відомо, що нанотвердість і модуль пружності деякою мірою корелюють . За їх допомогою можливо визначити рівень опору покриття пластичній деформації, який збільшується із зростанням співвідношення Н³/Е², де Н - нанотвердість, Е-приведений модуль Юнга. Розрахунки показали, що у покриття Ti-Cr-N воно у 3 рази більше, ніж у Ті-N, що підтверджує його кращий опір пластичній деформації.

За допомогою методу математичної статистики для перевірки результатів експериментів були використані критерії Стьюдента, Фішера. Внаслідок цього отримані рівняння регресії, побудовані графічні поверхні відгуку.

На підставі аналізу отриманих математичних моделей зроблено висновок, що найменше значення зносу прогнозується при значенні твердості матеріалу деталей гідроприводу після термічної обробки, що дорівнює HRC45, шорсткості поверхні його 0,16Rа і товщині іонно-плазмового покриття Ti-Cr-N 6 мкм, що наноситься на поверхню деталей.

У шостому розділі описується стенд для випробування деталей гідроприводу. Об'єктами дослідження були гідроклапани та гідророзподільники, призначені для управління потоком робочої рідини.

іонний плазмовий покриття деталь



Рис.10 Зовнішній вигляд стенду для випробувань гідро розподільників

Стендові випробування показали переваги застосування сталі 38Х2МЮА для досліджуваних деталей з наступним нанесенням на їх робочі поверхні плазмового покриття Ti-Cr-N.

Рис. 11. Гістограми кількості мотогодин сталей 45 і 38Х2МЮА за результатами стендових випробувань:

1 - сталь 45 без покриття;

2 - сталь 45 з карбонітридним шаром;

3 - сталь 38Х2МЮА без покриття;

4 - сталь 38Х2МЮА з покриттям Ti-Cr-N.

Експлуатаційні випробування підтвердили результати стендових випробувань, що дозволяє рекомендувати запропоновані сталь і технології для впровадження у виробництво.

ВиСНОВКи

1. На підставі вивчення впливу нанесеного іонно-плазмовим методом покриття нітриду титану на робочі поверхні деталей створено спеціальне покриття, яке складається з подвійних систем нітридів. Новизна створеного складу покриття підтверджена патентом України № 31864. Ефективність підтверджена результатами стендових і промислових випробувань.

2. За допомогою теорії планування експерименту встановлена залежність між величинами твердості, товщиною покриття, що наноситься, і шорсткістю поверхні. Встановлено, що найменше зношування спостерігається при твердості основи 45 HRC, шорсткості поверхні 0,16 Ra та товщині покриття Ti-Cr-N 6 мкм.

3. Науково обґрунтована і запропонована для деталей об'ємного гідроприводу сталь 38Х2МЮА, яка має істотні переваги порівняно з використовуваною зараз у промисловості сталлю 45, а саме: збільшення зносостійкості удвічі та суттєве зменшення коефіцієнта тертя.

4. Показано, що суттєве покращення зносостійкості виробів, які досліджувались, може бути досягнуте нанесенням іонно-плазмового покриття TiN на поверхню пар ковзання, що в результаті зменшує знос у 3 рази.

5. Установлено, що нанотвердість сталі 38Х2МЮА з покриттям TiN у 2 рази вища, ніж нанотвердість сталі 45 з карбонітридним шаром, що обумовлює зменшення зносу.

6. Вищий рівень модуля пружності покриття TiN, нанесеного на сталь 38ХМЮА, порівняно з карбонітридним шаром, нанесеним на сталь 45, свідчить про те, що в сталі 38ХМЮА при більш високих напруженнях наступає пластична деформація.

7. Дано обґрунтування підвищенню робочих характеристик пар тертя з покриттям Ti-Cr-N, нанесеним на сталь 38Х2МЮА, у зв'язку з формуванням на поверхні більш значних стискуючих напружень, підвищенням корозійної стійкості.

8. Експлуатаційні і стендові випробування показали переваги запропонованої технології, що дозволило рекомендувати її для широкого впровадження у виробництво.

Список опублікованих праць

1. Рыжков Ю. В. Карбонитрация - эффективный метод повышения надежности деталей гидроприводов строительно-дорожных машин / Ю. В. Рыжков., Д. Б. Глушкова, Г. А. Аврунин // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета: Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ, 2007. - Вып. 38. - С. 126-128.

2. Рыжков Ю. В. Применение плазменных покрытий для повышения износостойкости деталей устройств объемного гидропривода /Ю.В.Рыжков, Д. Б .Глушкова, В.И.Мощенок, В.П.Тарабанова , А.В.Черняева // Сварщик. - 2008. - № 4. - С. 38-39.

3. Рыжков Ю.В. Определение оптимальных параметров покрытия для деталей объемного гидропривода методом теории планирования эксперимента / Ю.В.Рыжков // Металознавство та термічна обробка металів. - Дніпропетровськ, 2009. - Вып.№4.- С.54-63.

4. Рыжков Ю. В. Повышение эксплуатационных характеристик деталей гидропередач / Карпенко В. А., Глушкова Д. Б., Рыжков Ю. В., А.Г.Аврунин// Мир техники и технологий. - 2009. - №8 (93). - С. 16-17.

5. Рыжков Ю. В. Повышение износостойкости трущихся поверхностей пар трения / С.Н.Дуб, А.Н.Ковальчук, Ю.В.Рыжков, Д.Б.Глушкова, В.П.Тарабанова // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. 2009. - Вып. 46. - С. 39-42.

6. Рыжков Ю.В. Исследование влияния плазменного покрытия на стойкость металлических форм./ Ю.В.Рыжков // Науковий вісник будівництва. Харків. 2009. - Вып.№55.- С.131-138.

7. Пат. 31864 України. МПК (2006) С23С 14/00 Спосіб обробки пар тертя / Рижков Ю.В.; заявник і патентовласник Харківський національний автомобільно-дорожній університет; Рижков Ю.В. - №200713859; заявл. 10.12.2007; опубл. 25.04.2008, Бюл. № 8.

8. Рыжков Ю. В. Эффективный метод повышения износостойкости узлов объемного гидропривода / В.И.Мощенок, Г.А.Аврунин , Д.Б.Глушкова , В.П.Тарабанова, Ю.В.Рыжков // Материалы 4-й международной конференции «Стратегии качества и промышленности». - Варна. Болгария. - 2008. - Т.1, - С. 406-408.

9. Рыжков Ю.В. Материалы и технологии для повышения рабочих характеристик деталей объемного гидропривода / С.В.Лахматов, Д.Б.Глушкова, Е.А.Нестеренко, Ю.В. Рыжков, А.Г. Аврунин // Современные проблемы развития механики и совершенствование оборудования. - Губкин. Россия.- 2010. - С.12-17.

10. Заявка на патент Пристрій для осадження багатокомпонентних покриттів / Рижков Ю.В. Рішення про видачу патенту за заявкою № u201003834 на корисну модель, поданою 02.04.10.

Размещено на Allbest.ru